分布式空間系統(tǒng)——小衛(wèi)星內(nèi)藏大乾坤

□ 林來興

“寸有所長，尺有所短”，不管現(xiàn)代小衛(wèi)星有多少優(yōu)點，同樣也存在某些缺點。比如：單顆小衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量和功率有限；對單點故障敏感；短期運行壽命和高風險；難以找到廉價可行的發(fā)射工具（相對大衛(wèi)星而言，每千克發(fā)射費用高）。如何揚長避短呢？在應用上，通過采用分布式空間系統(tǒng)，就能克服小衛(wèi)星的種種弱點，讓小衛(wèi)星應用煥發(fā)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

分布式空間系統(tǒng)的定義是：由2個或2個以上航天器，按一定要求分布在1種或多種軌道上，共同合作完成某項空間飛行任務（例如：觀測、通信、偵察、導航等），從而獲得更大的價值。

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：單顆大衛(wèi)星功能可由若干顆小衛(wèi)星來替代，還可能獲得更好的技術性能；可以實現(xiàn)全球實時觀測；可提供甚長測量基線，從而促進星載干涉儀、全球遙感和同步目標跟蹤觀測等領域的發(fā)展；編隊飛行衛(wèi)星可以隨時加入和退出隊列(因故障等原因),系統(tǒng)具有很高的重構性、冗余性、安全可靠性；系統(tǒng)技術性能可以定期獲得改善和提高；系統(tǒng)偶然性經(jīng)費很低，也就是說，消除故障費用很少。

編隊飛行

在軌道上，分布式空間系統(tǒng)的各個航天器之間在動力學方面沒有任何關系，各個航天器按自己的軌道特性運行，只有外加閉路控制系統(tǒng)才能保證它們按編隊飛行要求保持隊形。也就是說，分布式空間系統(tǒng)各個航天器必須有外加閉路軌道控制系統(tǒng)才能成為編隊飛行。又根據(jù)對外加閉路控制系統(tǒng)要求的不同，編隊飛行可分為以下3種：

2002年3月美國發(fā)射的GRACE雙星探測地球引力

一、精確編隊。對外加閉路軌道控制系統(tǒng)要求非常嚴格：高精度相對導航，保持精確編隊飛行隊形，保持精度有米級、厘米級、毫米級，甚至更加精確。由于這種控制系統(tǒng)頻帶很寬，系統(tǒng)響應速度很快，交換信息量很大，一般都要求星上自主，例如：“類地行星探測器”1（TPF－1）、“恒星成像”（SI）等。

二、知識編隊。對外加控制系統(tǒng)，除了對相對導航有明確要求以外，對編隊飛行隊形沒有嚴格要求。也就是說，編隊隊形是隨時進行測量，以滿足編隊飛行任務的要求。因為系統(tǒng)響應速度比較慢，所以知識編隊可以在星上自主，也可以通過地面來實現(xiàn)，例如：“激光干涉儀空間天線探測器”（LISA）, “重力測量和氣候試驗衛(wèi)星”（GRACE）,“三維定位系統(tǒng)”電子偵察衛(wèi)星。

三、合作編隊。外加閉路軌道控制系統(tǒng)僅在某一階段或者某一時期進行，不需要長期進行控制與測量，其精度由自主交會對接系統(tǒng)要求來確定。例如：在軌自主空間組合、自主交會。

星座

分布在軌道上的各個航天器（或衛(wèi)星）主要目的是增加對地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時間。對通信來說是實現(xiàn)無縫隙覆蓋。為此，這里不需要外加閉路控制系統(tǒng)。由于衛(wèi)星受到軌道攝動，會使軌道位置發(fā)生變化，一般通過地面站對單顆衛(wèi)星進行軌道位置調(diào)整就能滿足星座要求。星座軌道保持控制是定期的，例如幾天或幾十小時進行1次控制，周期長短決定于星座軌道攝動大小和星座位置保持精度。

星群

根據(jù)空間飛行任務要求，設計各顆衛(wèi)星在軌位置，當衛(wèi)星發(fā)射成功以后，在運行時期不需要進行軌道操作，衛(wèi)星若受到軌道攝動，所產(chǎn)生的位置變化也不影響飛行任務的完成。也就是說，星群不需要外加閉路控制系統(tǒng)，也不需要軌道操作，它是分布式空間系統(tǒng)最簡單的一種形式。星群大部分用于空間環(huán)境參數(shù)的觀測任務。

MMS星座預計2014年發(fā)射

根據(jù)上面的論述，我們不能隨便把編隊飛行說成是分布式空間系統(tǒng)，關鍵在于是否有外加閉路軌道控制系統(tǒng)。而且，外加控制系統(tǒng)必須具備3項關鍵技術：

1）相對導航。導航精度由編隊飛行任務來決定，目前較多采用的是相對GPS技術。

2）星間通信。通信容量和數(shù)據(jù)傳輸率由編隊飛行任務決定。大部分采用激光通信，也有個別編隊飛行（例如知識編隊的電子偵察衛(wèi)星），若不要求實時，有些數(shù)據(jù)處理可在地面站執(zhí)行。采用激光星間通信，要求編隊飛行相對姿態(tài)需要精確控制。

3）編隊控制。主要是保持編隊隊形,克服軌道攝動需要燃耗，特別是在地球軌道，地球扁率J2項攝動量比其他攝動項高出1個～2個數(shù)量級。需要很大的燃耗，甚至達到難以接受的程度。這也是目前地球軌道編隊飛行任務實現(xiàn)比較少的原因。

分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)技術發(fā)展水平

編隊飛行是空間技術在應用領域一個重大創(chuàng)新。這是因為編隊飛行具有一系列優(yōu)勢,例如：編隊飛行可構成空間應用一種新概念——虛擬衛(wèi)星，而虛擬衛(wèi)星獲得觀測效果是單顆衛(wèi)星無法相比；可提供極大測量基線，從而促進星載干涉儀、全球遙感和同步目標跟蹤觀測等領域的發(fā)展；可由輕巧靈活的小衛(wèi)星代替龐大復雜的大衛(wèi)星；編隊飛行衛(wèi)星可以隨時加入和退出（故障），系列具有很高重構性、冗余性、安全可靠性；

具有任務背景的航天器編隊飛行應用項目越來越多，同時也證明上述編隊飛行優(yōu)勢越來越大。為此可以預測隨著時間推移，這個優(yōu)勢還會增加。例如：由若干顆雷達衛(wèi)星組成編隊飛行，當編隊隊形保持和相位控制達到一定要求，雷達衛(wèi)星編隊飛行相比單顆雷達星可以獲得更好結果，例如：

1）提高地面目標分辨率；2）獲得高程精度(優(yōu)于1米)；3）可測到地面目標移動速度(3米/秒～4米/秒) ；4) 增加覆蓋寬度。

當今小衛(wèi)星編隊飛行正處研究探討和空間飛行演示驗證階段，真正大量應用還沒有開始。

小衛(wèi)星編隊飛行技術性能匯編